再谈当今的射频微波功放技术和产品的发展趋势(1)

JIGONG的微测 2019-02-13 13:52

任何电子设备都离不开核心器件,射频微波功放也是一样!它的技术发展同样是伴随着当时的电子工业基础的不断进步!


作为射频微波功率放大器,经历了电子管时代,行波管TWT时代,现在开始进入到采用半导体作为核心的所谓固态放大器的时代,大功率的固态功放已经在6GHz以内的频段得到了越来越多的应用。而在6GHz以上的高频,大功率的应用领域依旧是行波管TWT功放的性价比优势明显突出。


为了满足越来越高,越来越复杂的需求,对于半导体材料的研究和生产的投入从未停止,促使半导体材料也在不断进步。常用于射频微波功率放大器的半导体主要包括:

  • 双极性结型晶体管(bipolar junction transistor, BJT)

  • 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)

  • 横向双扩散MOS晶体管(Lateral Double-diffused MOSFET,LDMOS)

  • 砷化镓金属半导体场效应晶体管(GaAs MESFET)

  • GaAs赝晶高电子迁移率晶体管(GaAs pHEMT)

  • 氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)


每种半导体材料也都在不断改进中,因为每种材料都各有各的特性,有的适合低频段,有的适合高频段;有的线性度好,有的线性度不是那么好,要靠你的设计水平来得到所需的P1dB功率;有的功率密度低,有的功率密度高......总之,各有特点,适合不同场合的需要。下面以一些功放为例,结合实际的射频功放产品,我们更容易体会到技术的不断进步。


  • CBA-A 系列功放

  • CBA-A系列主要用于射频传导抗扰度测试所需的低频段功放,满足IEC61000-4-6,ISO11452-4,CS114等测试的需求。频率范围可以覆盖4 kHz到400MHz,典型的型号如表1所示。

    表1:CBA-A系列功放


    针对射频传导抗扰度测试常用的4KHz~400MHz, 额定功率为110W的CBA400M-110,在4KHz~10KHz 可提供~40W的功率; 10KHz~400MHz的P1dB >80W(160MHz以内>110W)的功率的A类功放。如图1所示。

    图1:CBA 400M-110功放


    针对射频传导抗扰度测试常用的4KHz~400MHz, 额定功率为260W的CBA400M-260,它在4KHz~10KHz 可提供~80W的功率; 10KHz~400MHz范围的P1dB >210W(150MHz以内>250W)的功率的A类功放。如图2所示。



    图2:CBA 400M-260射频功放


    CBA-A系列这些型号的功放采用了成熟的MOSFET技术,为了满足IEC61000-4-6对线性度的要求,采用了A类功放的设计,具有很好的线性度,可承受很大的由于阻抗失配引起的反射。


    • CBA-D 系列功放

    为了满足IEC61000-4-3, ISO11452-2/-3/-5/-9, GJB151B-RS103等标准的测试需要, 需要频率范围覆盖从10KHz 到 1GHz,1GHz到 6GHz,频率甚至高达40GHz的功放。CBA-D系列,如图3所示,可以覆盖从1MHz 到 1GHz和1GHz到 6GHz这两个频段,每个频段都有不同功率的若干个型号可供选择,可以满足IEC 61000-4-3, ISO11452-2/-3/-5/-9, RS103等不同场强的需求,具体型号如表2所示。

    表2:CBA-D系列功放

    图3:全新设计的CBA-D系列功放


    CBA-D系列射频功放的主要特点如下:

    • 高功率密度设计:体积小,功率大,转换效率高;

    • 触摸屏操作,彩色液晶屏显示;

    • 内置定向耦合器并标配前/反向功率测量端口;

    • 标配USB,Ethernet, GPIB and RS232 接口;

    • 增益可调节;

    • 带有输入过驱动保护等多种保护功能;


    作为射频微波功放的一个发展趋势就是功率密度越来越高,体现在功率越来越大但体积却不一定增大。为了适应这种发展趋势,CBA-D系列几乎都采用了氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT),以CBA-D系列中的CBA 6G-200D为例,如图4所示,它的频率范围是1GHz到6GHz, 最小P1dB功率达200W,而它的体积,通常说高度,只有7U。目前市场上的同样是这个频段的同样的功率的功放产品,身高和体重都要比它高比它重。这样的一台频率范围覆盖1GHz到6GHz,最小P1dB功率达200W的单频段功放,一台即可满足ISO11452-2或者RS103的1GHz到6GHz频段的200V/m@1m场强的测试需求。


    再以CBA-D系列中的CBA 6G-400D为例,如图3中右侧机柜所示,它的频率范围是1GHz到6GHz, 最小P1dB功率达400W,而它的体积,通常说高度,只有16U。目前市场上的同样是这个频段的同样的功率的功放产品,身高和体重都要比它高比它重。这样的一台频率范围覆盖1GHz到6GHz,最小P1dB功率达400W的单频段功放,一台即可满足IEC61000-4-3的1GHz到6GHz频段的30V/m@3m场强的测试需求。


    这种采用了GaN的高功率密度设计的功放,单台覆盖的频率范围更宽,功率更高,以前可以需要分成两个频段的功放才能实现,现在只需一台,不必切换;不但大大减小了占用的功放室的空间,还会大大降低对冷却系统的要求,这对于实际使用来说也是很重要的事情。


    图4:CBA6G-200D只有7U的高度


后续会再说说6GHz~40GHz的功放的技术和产品的情况。


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JIGONG的微测 毕业于哈尔滨工业大学,在电子设计和测量领域近30年,一直在学习,一直还没学透。在这里,不玩儿所谓的“高大上”,玩儿玩儿“接地气”,通过原创“微测”,与大家共同探讨,交流,分享有关当代电子类产品的测量技术,方法和知识
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